3.2.3. Параллельные процессы

Перемещение атомов параллельно поверхности подложки может быть осуществлено в процессе полевой диффузии или скольжения. В обоих случаях связи между перемещаемыми атомами и подложкой не разрываются. Адсорбированный атом всегда находится в потенциальной яме. Энергия, необходимая для его перемещения, соответствует энергетическому барьеру для диффузии по поверхности. Она обычно находится в пределах от 1/10 до 1/3 от энергии адсорбции, что соответствует диапазону 0,01…1,0эВ.

Полевая диффузия адсорбированных на поверхности атомов инициируется сильно неоднородным электрическим полем, создаваемым между острием зонда и поверхностью. Напряженность этого поля может достигать 30…50В/нм. Этого вполне хватает для ионизации и десорбции атомов. Для ускорения же поверхностной диффузии достаточно электрических полей и меньшей напряженности. Взаимодействие дипольного момента адсорбированного атома с неоднородным электрическим полем, индуцированным в его окрестности зондом, приводит к диффузии этого атома в направлении убывания созданного градиента потенциала.

Дипольный момент адсорбированного атома во внешнем электрическом поле задается двумя составляющими – его статическим дипольным моментом (µ) и индуцированным полем моментом :

.

(3.3)

где  – тензор поляризуемости;  – напряженность электрического поля. С учетом этого пространственное распределение энергии атома имеет вид:

.

(3.4)

Эта потенциальная энергия добавляется к периодическому потенциалу поверхности (рис. 3.5, а), образуя потенциальный рельеф, благоприятный для направленного движения адсорбированного атома в область, находящуюся непосредственно под острием зонда. Возможно два варианта результирующего потенциального рельефа, который зависит от особенностей взаимодействия рассматриваемого атома и зонда.

При слабом взаимодействии обычно формируется широкая потенциальная яма (рис. 3.5, б) с рельефом, модулированным периодическим потенциалом поверхности. В случае же сильного ориентированного взаимного притяжения атома и зонда, связанного с их химической природой, потенциальная яма для атома сужается и локализуется строго под зондом (рис. 3.5, в). В процессе диффузии по поверхности адсорбированный атом «проваливается» в эту яму и задерживается в ней.

Скольжение инициируется силами взаимодействия атомов зонда и перемещаемого атома на поверхности. Величина этих сил определяется потенциалом межатомного взаимодействия. Задавая определенное положение зонда, можно управлять величиной и направлением действия результирующей этих сил.

Манипуляция атомом посредством скольжения (рис.3.6) осуществляется следующим образом. Первоначально зонд устанавливается в позиции наблюдения адсорбированного атома по обычной процедуре (рис.3.6, а). Затем зонд приближают к атому на расстояние, необходимое для проявления сил межатомного взаимодействия (рис.3.6, б). Это достигается заданием большей величины туннельного тока. Поддерживая его постоянным, зонд перемещают вдоль поверхности в новую позицию

(рис.3.6, г), после чего, уменьшая контролируемый туннельный ток, отводят от поверхности на прежнее расстояние (рис.3.6, д).

Рис. 3.5. Потенциальная энергия атома, адсорбированного на поверхности кристаллической подложки, в зависимости от его положения относительно зонда сканирующего туннельного микроскопа

Для того чтобы атом на поверхности двигался в направлении перемещения зонда, результирующая сил их межатомного взаимодействия должна превышать силу связи атома с подложкой. Величина этой силы в первом п
риближении может быть оценена как отношение энергии, необходимой для поверхностной диффузии, к расстоянию между атомами на подложке. Близкое расположение зонда может привести к смещению адсорбированного атома в его сторону, т.е. в направлении, нормальном к поверхности подложки. Такой смещенный атом будет иметь переменное в плоскости взаимодействие с подложкой. Оторвав этот атом от подложки, мы получим оценку величины силы, необходимой для его движения по поверхности данной подложки.

Рис. 3.6. Схема манипулирования атомами посредством скольжения

Процесс перемещения атомов скольжением критичен к расстоянию между зондом и поверхностью подложки. При расстояниях, больше некоторой критической величины, взаимодействие между зондом и адсорбированным атомом становится слишком слабым, чтобы заставить атом двигаться в направлении перемещения зонда. Поскольку расстояние между зондом и подложкой в абсолютных величинах не контролируется, а характеризуется сопротивлением туннельного перехода между ними, критическому расстоянию соответствует определенное сопротивление.

В зависимости от расположения атомов на острие зонда значение этого сопротивления может изменяться до четырех раз. Однако наиболее существенное влияние оказывают на него особенности химической природы адсорбированного атома и материала подложки. Типичные значения порогового для скольжения туннельного сопротивления лежат в диапазоне от десятков килоом до нескольких мегаом, отражая значительную вариацию энергии связи различных атомов с разными подложками.